Instytutu Ceramiki i Materia³ów Budowlanych Nr 7

Instytutu Ceramiki i Materia³ów Budowlanych Nr 7

PRACE
Instytutu Ceramiki
i Materia³ów Budowlanych
Scientific Works
of Institute of Ceramics
and Construction Materials
Nr 7
ISSN 1899-3230
Rok IV
Warszawa–Opole 2011
MARTA SKORNIEWSKA*
GENOWEFA ZAPOTOCZNA-SYTEK**
;BTUPTPXBOJFDFNFOUÍX$&.**J$&.7
EPQSPEVLDKJBVUPLMBXJ[PXBOFHPCFUPOV
LPNÍSLPXFHP"#,
W artykule przedstawiono możliwości stosowania cementów wieloskładnikowych do produkcji autoklawizowanego betonu komórkowego (ABK).
W zakresie technologii ABK praca ma charakter nowatorski. Obok rozwiązań praktyczno-technologicznych przedstawiono wyniki badań składu
fazowego i mikrostruktury ABK, produkowanego przy stosowaniu różnych
cementów wieloskładnikowych, zawierających duże ilości dodatków mineralnych. Wyniki pracy stanowią istotny wkład wiedzy w zakresie technologii
ABK. Realizacja tematu stwarza przesłanki wdrożenia w technologii betonu
komórkowego stosowania cementów wieloskładnikowych w miejsce obecnych rozwiązań z wykorzystaniem cementu portlandzkiego CEM I.
8TUÄQ
Rozwój produkcji i stosowania cementów z dodatkami mineralnymi w Polsce i na
świecie jest bardzo intensywny. W krajach Unii Europejskiej wielkość produkcji
takich cementów osiąga poziom 70%. Celowość rozwijania produkcji cementów
z dodatkami mineralnymi leży przede wszystkim w znacznym zmniejszeniu emisji CO2. Wielkość produkcji cementu musi być realizowana z uwzględnieniem
limitów emisji CO2.
Zwiększenie udziału dodatków mineralnych w składzie cementu, a co za tym
idzie ograniczenie udziału klinkieru jest podstawowym rozwiązaniem stwarzającym możliwość znacznego obniżenia emisji dwutlenku węgla przez przemysł
cementowy [1]. Porównanie zużycia energii wypada zdecydowanie na korzyść
produkcji cementu z dodatkami [2]. Szeroka dostępność cementów z dodatkami
*
Mgr inż. Instytut Ceramiki i Materiałów Budowlanych w Warszawie, Centrum Badań Betonów CEBET w Warszawie.
**
Prof. ICiMB dr inż., Instytut Ceramiki i Materiałów Budowlanych w Warszawie, Centrum
Badań Betonów CEBET w Warszawie.
164
MARTA SKORNIEWSKA, GENOWEFA ZAPOTOCZNA-SYTEK
oraz ich właściwości powodują, że są to coraz częściej stosowane spoiwa w produkcji betonu towarowego, produkcji prefabrykatów drobno- i wielkogabarytowych, obiektów inżynieryjnych oraz w produkcji betonów nowej generacji [3].
Cementy z dodatkami mineralnymi [9–10] są produkowane zgodnie z wymaganiami normy PN-EN 197-1:2002 „Cement. Część 1: Skład, wymagania i kryteria
zgodności dotyczące cementów powszechnego użytku”, która obejmuje szeroką
grupę cementów wieloskładnikowych zawierających obok klinkieru portlandzkiego jeden lub więcej dodatków [4]. Norma ta wymienia osiem innych niż klinkier portlandzki składników głównych cementów powszechnego użytku: granulowany żużel wielkopiecowy „S”, pucolanę naturalną „P”, pucolanę naturalną
wypalaną „Q”, popiół lotny krzemionkowy „V”, popiół lotny wapienny „W”,
łupek palony „T”, kamień wapienny (L, LL), oraz pył krzemionkowy „D”. Do
najczęściej stosowanych dodatków mineralnych w Polsce należą krzemionkowy
popiół lotny, granulowany żużel wielkopiecowy oraz kamień wapienny.
Tabela 1
Asortyment cementów wieloskładnikowych wytwarzanych w Polsce (dane SPC za 2009 r.)
Rodzaj cementu
Cementy portlandzkie
CEM II
Cement wieloskładnikowy
CEM V
Odmiana
– klasa wytrzymałości
cement portlandzki popiołowy
CEM II/V
CEM II/A-V 32,5R
CEM II/A-V 42,5R
CEM II/B-V 32,5R
CEM II/B-V 32,5R HSR
cement portlandzki żużlowy
CEM II/S
CEM II/A-S 42,5N
CEM II/B-S 32,5R
CEM II/B-S 42,5N
CEM II/B-S 42,5 N-NA
CEM II/B-S 42,5R
CEM II/B-S 52,5N
cement portlandzki wapienny
CEM II/LL
CEM II/A-LL 42,5R
cement portlandzki
wieloskładnikowy CEM II/M
CEM II/B-M(V-LL) 32,5R
CEM II/B-M(S-V) 32,5R
CEM II/A-M(S-LL)52,5N
cement wieloskładnikowy
CEM V/S-V
CEM V/A (S-V) 32,5N-LH
W tabeli 1 przedstawiono asortyment cementów wieloskładnikowych produkowanych przez krajowy przemysł cementowy
Polska jest największym producentem autoklawizowanego betonu komórkowego (ABK) w Europie (ryc. 1). Dzięki prowadzonym pracom badawczo-wdrożeniowym opracowano i wdrożono wiele polskich technologii wytwarza-
ZASTOSOWANIE CEMENTÓW CEM II I CEM V DO PRODUKCJI AUTOKLAWIZOWANEGO...
165
nia ABK zarówno w kraju, jak i za granicą [7]. Chcąc utrzymać wysoki poziom technologii ABK, konieczna jest kontynuacja prac badawczych w zakresie
zaawansowanych technologii. Jednym z ważnych wyzwań jest wykorzystanie
cementów wieloskładnikowych w produkcji autoklawizowanego betonu komórkowego. Zastosowanie takich cementów pozwoliłoby na dalszy rozwój technologii ABK, a w ujęciu rachunku ciągnionego analizy efektywności prowadziłoby
przemysł cementowy – przemysł betonu komórkowego do ograniczenia emisji
CO2 na jednostkę produktu finalnego ABK.
0,6 1,6
1,4
6,8
0,3
0,2
0,4
11,7
3,8
1,9
0,4
1,3
4,9
13,4
27,1
Austria [97 300]
Czechy [1 102 430]
Finlandia [56 106]
Niemcy [2 180 709]
Słowenia/Chorwacja [209 620]
Belgia [252 500]
Dania [50 000]
Francja [621 000]
Polska [4 401 245]
Szwecja [68 000]
Bułgaria [219 000]
Estonia [30 500]
Holandia [305 000]
Słowacja [802 100]
Turcja [1 896 800]
Ryc. 1. Produkcja ABK w Europie w 2009 r. [6]
#BEBOJFXBvDJXPvDJGJ[ZLPDIFNJD[OZDI
DFNFOUÍXXJFMPTLBEOJLPXZDI
W artykule zaprezentowano właściwości fizykochemiczne wytypowanych cementów wieloskładnikowych wg PN-EN 197-1:2002. Wyniki badań właściwości cementów, w połączeniu z danymi z prób wytwarzania ABK w hali doświadczalnej Oddziału Betonów CEBET, będą stanowić podstawę doboru cementów
wieloskładnikowych do dalszych prób i badań wdrożeniowych z zastosowaniem
tych cementów w technologii ABK.
Doboru cementów do badań, wspólnie z Oddziałem Szkła i Materiałów
Budowlanych w Krakowie, dokonano na podstawie analizy krajowego rynku ce-
166
MARTA SKORNIEWSKA, GENOWEFA ZAPOTOCZNA-SYTEK
mentowego. Analiza ta obejmowała wszystkich producentów cementu w Polsce
oraz produkowane przez przemysł cementowy rodzaje, odmiany i klasy wytrzymałości cementów. W doborze cementów uwzględniono również wiedzę o cementach stosowanych obecnie w wytwórniach betonu komórkowego [8].
Do prób badawczych wytypowano następujące cementy:
Cementy odniesienia:
1. Cement portlandzki CEM I 32,5R – cementownia 1,
2. Cement portlandzki CEM I 42,5R – cementownia 2.
Cementy do prób badawczych:
1. Cement portlandzki popiołowy CEM II/A-V 42,5R – cementownia 1,
2. Cement portlandzki popiołowy CEM II/A-V 42,5R – cementownia 2,
3. Cement portlandzki popiołowy CEM II/B-V 32,5R – cementownia 1,
4. Cement portlandzki popiołowy CEM II/B-V 42,5N – cementownia 2,
5. Cement portlandzki wapienny CEM II/A-LL 42,5R – cementownia 3,
6. Cement portlandzki wieloskładnikowy CEM II/B-M (V-LL) 32,5R – cementownia 3,
7. Cement wieloskładnikowy CEM V/A (S-V) 32,5R – cementownia 4.
Zakres badań wytypowanych cementów obejmował następujące oznaczenia:
– uziarnienie – powierzchnia właściwa wg Blaine’a;
– właściwości fizyczne zaczynów i zapraw cementowych: wodożądność i czas
wiązania według PN-EN 196-3, wytrzymałości zapraw po 2, 7 i 28 dniach według PN-EN 196-1, konsystencja według PN-EN 1015-3;
– wytrzymałości na ściskanie zaczynów po procesie autoklawizacji w temperaturze 216°C, pod ciśnieniem 2 MPa oraz określenie zawartości wolnego CaO;
– badania składu chemicznego cementów.
Wyniki wymienionych badań zamieszczono w tabelach 2–4. Na rycinie 2 przedstawiono wytrzymałości zapraw cementowych po 2, 7 i 28 dniach twardnienia.
CEM I 42,5R
– cementownia 2
CEM II/A-V 42,5R
– cementownia 2
CEM II/B-V 42,5N
– cementownia 2
CEM I 32,5R
– cementownia 1
CEM II/A-V 42,5R
– cementownia 1
CEM II/B-V 32,5R
– cementownia 1
CEM V/A (S-V) 32,5R-LH
– cementownia 4
CEM II/A-LL 42,5R
– cementownia 3
CEM II/B-M (V-LL) 32,5R
– cementownia 3
Rodzaj cementu
5,2
4,6
4,3
4,2
4,2
3,6
2,6
4,6
4,2
3 830
4 640
3 300
4 300
3 820
3 680
5 100
5 650
2 dni
3 420
Powierzchnia
właściwa
[cm2/g]
4,5
6,1
4,6
4,9
6,2
6,0
5,5
5,9
6,5
7 dni
5,8
7,2
7,0
6,4
7,2
6,8
7,3
6,9
7,1
28 dni
na zginanie
14,2
25,5
13,7
19,1
26,0
24,1
26,3
26,6
30,0
2 dni
26,5
42,0
25,7
30,3
39,5
38,1
40,3
42,1
46,2
7 dni
38,3
50,9
45,4
45,9
51,9
46,8
51,1
51,2
54,8
220
310
330
210
320
350
515
310
425
325
220
320
350
300
300
300
210
205
koniec
Czas wiązania
[hmin]
28 dni początek
na ściskanie
Wytrzymałość [MPa]
Właściwości fizyczne cementów [8]
27,5
31,1
29,4
31,1
27,5
26,1
28,0
29,0
29,2
H2O
[%]
17,1
16,4
17,5
18,9
17,4
19,0
17,8
18,6
18,1
Rozpływ
[cm]
Tabela 2
ZASTOSOWANIE CEMENTÓW CEM II I CEM V DO PRODUKCJI AUTOKLAWIZOWANEGO...
167
MARTA SKORNIEWSKA, GENOWEFA ZAPOTOCZNA-SYTEK
168
Tabela 3
Wytrzymałość i zawartość wodorotlenku wapnia oznaczone
w zaczynach cementowych po autoklawizacji [8]
Rodzaj cementu
Wytrzymałość zaczynu
na ściskanie
po autoklawizacji* [MPa]
Zawartość
wodorotlenku
wapniowego**
[%]
CEM I 42,5R
– cementownia 2
50,5
10,71
CEM II/A-V 42,5R
– cementownia 2
42,9
5,43
CEM II/B-V 42,5N
– cementownia 2
34,7
2,83
CEM I 32,5R
– cementownia 1
40,9
8,05
CEM II/A-V 42,5R
– cementownia 1
47,3
4,20
CEM II/B-V 32,5R
– cementownia 1
42,3
2,70
CEM V/A (S-V) 32,5R-LH
– cementownia 4
54,5
1,74
CEM II/A-LL 42,5R
– cementownia 3
14,8
8,01
CEM II/B-M (V-LL) 32,5R
– cementownia 3
25,5
6,20
* Wykonano beleczki o wymiarach 4 x 4 x 16 cm z zaczynów cementowych, które po 24 godzinach przechowywania w szafie klimatycznej są rozformowywane i umieszczane w autoklawie,
przy ciśnieniu 2 MPa. Następnie ma miejsce nagrzewanie ok. 1 h do temperatury 216°C, w której
próbka przebywa 3 h. Po tym czasie autoklaw jest wyłączany i próbka się chłodzi w autoklawie
ok. 1 h do temperatury ok. 100°C. Potem próbka jest wyjmowana i chłodzona wodą 15 min do
temperatury ok. 23°C. Następnie próbka przebywa jeszcze 15 min w tej temperaturze i wówczas
poddawana jest badaniom wytrzymałościowym.
** Oznaczenie metodą glikolową.
Przedstawione w tabelach wyniki badań wskazują na bardzo wysoką jakość cementu portlandzkiego popiołowego CEM II/A-V, zarówno z cementowni 2, jak
i z cementowni 1, o zawartości popiołu do 20%. Wytrzymałość tego cementu,
wczesna po 2 i końcowa po 28 dniach twardnienia jest zbliżona lub wyższa niż
cementu portlandzkiego (odniesienia) CEM I z cementowni 1. Również cement
portlandzki popiołowy CEM II/B-V o zawartości popiołu do 35% charakteryzuje
ZASTOSOWANIE CEMENTÓW CEM II I CEM V DO PRODUKCJI AUTOKLAWIZOWANEGO...
169
60
Wytrzymałość [MPa]
50
40
2 dni
7 dni
30
28 dni
20
10
0
CEM I
42,5R
cementownia 2
CEM
II/A-V
42,5R
cementownia 2
CEM
II/B-V
42,5N
cementownia 2
CEM I
32,5R
cementownia 1
CEM
II/A-V
42,5R
cementownia 1
CEM
II/B-V
32,5R
cementownia 1
CEM
V/A (S-V)
32,5R-LH
cementownia 4
CEM
II/A-LL
42,5R
cementownia 3
CEM
II/B-M (V-LL)
32,5R
cementownia 3
Ryc. 2. Wytrzymałość zapraw cementowych [8]
się bardzo dobrą wytrzymałością wczesną i końcową. Cement wieloskładnikowy popiołowo-żużlowy CEM V/A, zawierający do 50/% dodatków, przy niskiej
wytrzymałości wczesnej, wykazuje stosunkowo dużą wytrzymałością końcową
po 28 dniach. Na uwagę zasługuje również cement CEM II/A-LL, którego wytrzymałość zarówno wczesna, jak i końcowa jest wysoka i zbliżona do cementu
portlandzkiego CEM I.
Znaczna szybkość narastania wytrzymałości badanych cementów portlandzkich
popiołowych wynika z dużego rozdrobnienia cementów i reakcji pucolanowej
popiołu z wodorotlenkiem wapnia będącego produktem reakcji hydratacji minerałów klinkierowych (alitu i belitu). Wydajność reakcji pucolanowej może być
ważnym czynnikiem kształtującym przydatność cementów popiołowych w technologii ABK. Pod tym kątem należy przeanalizować wyniki badań zaczynów po
autoklawizacji. Miarą wydajności reakcji pucolanowej w procesie twardnienia
jest spadek zawartości niezwiązanego Ca(OH)2 w stosunku do zaczynów przygotowanych z cementu odniesienia CEM I.
Badania cementów portlandzkich – wapiennego i popiołowo-wapiennego,
uwzględniając badania zaczynów po autoklawizacji – nie wykazują korzystnego
wpływu wapienia na procesy twardnienia w warunkach podwyższonych temperatur i ciśnienia.
1,70
3,28
0,66
0,22
0,17
0,25
0,07
1,65
4,50
MgO
SO3
K2O
Na2O
P2O5
TiO2
Mn2O3
CaOw
Zawartość wapienia
Zawartość CaSO4
5,00
–
64,49
CaO
Zawartość żużla
3,22
Fe2O3
–
4,89
Al2O3
Zawartość popiołu
17,75
–
3,22
SiO2
Części nierozpuszczalne
Strata prażenia
Składnik
CEM
I 42,5R
cementownia 2
5,50
–
17,68
4,50
2,22
0,07
0,37
0,27
0,37
0,97
3,07
1,72
56,08
3,54
7,57
21,90
12,25
4,05
5,30
–
20,48
4,50
1,78
0,07
0,45
0,35
0,41
1,28
3,10
1,97
50,70
3,76
9,49
24,24
17,57
4,08
CEM II/A-V CEM II/B-V
42,5R
42,5N
cementowcementownia 2
nia 2
4,80
–
–
3,00
2,36
0,03
0,22
0,22
0,16
0,98
2,93
1,70
65,13
2,24
4,57
18,85
–
2,91
CEM
I 32,5R
cementownia 1
5,10
–
15,60
4,50
1,82
0,04
0,36
0,29
0,28
1,25
3,72
2,68
54,64
2,81
7,75
26,47
12,18
3,31
4,20
–
26,60
4,00
2,04
0,05
0,48
0,31
0,36
1,43
3,07
2,00
48,08
3,32
10,29
27,03
20,78
3,48
CEM II/A-V CEM II/B-V
42,5R
32,5R
cementowcementownia 1
nia 1
4,00
34,00
18,80
–
1,18
0,12
0,45
0,11
0,43
1,05
2,76
2,79
48,34
3,09
9,07
30,44
14,70
1,27
CEM
V/A (S-V)
32,5R-LH
cementownia 4
Skład chemiczny cementów i udział w nich poszczególnych składników [8]
5,80
–
–
15,00
1,93
0,07
0,26
0,18
0,24
0,35
3,54
2,75
60,58
2,88
4,78
17,26
–
6,88
CEM II/A-LL 42,5R
cementownia 3
4,20
–
9,10
20,90
1,97
0,19
0,26
0,17
0,26
0,65
2,93
2,29
55,81
2,80
5,68
17,60
7,10
11,17
CEM II/B-M
(V-LL)
32,5R
cementownia 3
Tabela 4
170
MARTA SKORNIEWSKA, GENOWEFA ZAPOTOCZNA-SYTEK
ZASTOSOWANIE CEMENTÓW CEM II I CEM V DO PRODUKCJI AUTOKLAWIZOWANEGO...
171
1SÍCZUFDIOPMPHJD[OFXZUXBS[BOJB
BVUPLMBXJ[PXBOFHPCFUPOVLPNÍSLPXFHP
[[BTUPTPXBOJFNXZUZQPXBOZDIDFNFOUÍX
Część doświadczalną wytwarzania ABK przeprowadzono w halach doświadczalnych Instytutu Ceramiki i Materiałów Budowlanych Oddział Betonów – CEBET
w Warszawie.
Próby technologiczne wytwarzania autoklawizowanego betonu komórkowego
z zastosowaniem cementów z dodatkami mineralnymi rozpoczęto od opracowania odpowiednich receptur dla betonu komórkowego o gęstości 600(±50) kg/
/m3. We wszystkich próbach laboratoryjnych przyjęto technologię SW. W technologii SW wapno palone i cement, stanowiące spoiwo betonu komórkowego,
stosowane są do produkcji bez dodatkowej obróbki. Jako kruszywo wykorzystany jest szlam piaskowy, uzyskany przez wspólny przemiał piasku z wodą
w młynie kulowo-rurowym.
W skład mieszaniny surowcowej wchodzą dodatkowo: środek porotwórczy,
woda korekcyjna oraz środek powierzchniowoczynny. Mieszanina tych składników, zwana mieszanką zarobową, wlana do formy wyrasta, ulegając spulchnieniu, a następnie twardnieniu. Rozproszony w masie środek porotwórczy, aluminium, w alkalicznym środowisku zarobu wydziela wodór, który tworzy pory.
Tworzenie się mikrostruktury porowatej musi być zsynchronizowane w czasie
z przyrostem sztywności szkieletu. Synchronizacja ta jest bardzo istotnym problemem produkcji betonu komórkowego, gdyż gazowanie zdecydowanie wyprzedzające twardnienie spowodować może ucieczkę wytworzonego gazu z wnętrza
świeżej masy, uszkadzając jej mikrostrukturę. Gazowanie opóźnione powoduje
niedostateczny wyrost i również nieprawidłową mikrostrukturę materiału [7].
W przeprowadzonych próbach laboratoryjnych założono, że dominującym
składnikiem w spoiwie będzie cement. W pierwszych próbach laboratoryjnych
zmienną był rodzaj cementu, a stosunki ilościowe poszczególnych składników
mieszanki pozostawały bez zmian. Odlewy betonu komórkowego wykonywano
w formach 24 x 24 x 49 cm. Podczas wykonywania prób określano za pomocą
aparatu Gardnera rozlewność wylewanej do form masy zarobowej. Na tej podstawie wprowadzano ewentualnie korektę zawartości wody w recepturze, starając się utrzymać rozlewność w granicach 100–105 mm. Określano również temperaturę wylewanej do formy masy (temperatura początkowa). Odlewy z masą
zarobową wprowadzane były do podgrzewanej komory, gdzie przebywały przez
ok. 4 h w temperaturze ok. 55°C (ryc. 3). W tym czasie prowadzony był monitoring procesu wyrastania i wiązania masy (wyrost masy, temperatura końcowa
i twardość).
172
MARTA SKORNIEWSKA, GENOWEFA ZAPOTOCZNA-SYTEK
Ryc. 3. Odlewy betonu komórkowego wg pierwszego wariantu recepturowego
dojrzewające w komorze
W kolejnej serii prób w opracowanych recepturach uwzględniono stosunek masy
CaO/SiO2 (C/S). Cementem odniesienia był cement portlandzki CEM I 32,5R
z cementowni 1. Na podstawie składu chemicznego tego cementu określono
stosunek CaO/SiO2 = 0,46. Przy zastosowaniu kolejnych cementów tak przeliczano ilość cementu i wapna, aby stosunek C/S wynosił zawsze 0,46. Sposób
prowadzenia prób technologicznych był analogiczny jak poprzednio.
Przebieg prób technologicznych wytwarzania ABK z zastosowaniem zarówno
cementów portlandzkich (odniesienia), jak i cementów z dodatkami mineralnym
wykazał brak zasadniczych różnic w procesie wyrastania i wiązania masy, z wyjątkiem szybszego przyrostu twardości masy zarobowej betonu komórkowego
z zastosowaniem cementu portlandzkiego CEM I 42,5R (cementownia 2) oraz
cementu portlandzkiego popiołowego CEM II/B-V 42,5N (cementownia 2).
8BvDJXPvDJBVUPLMBXJ[PXBOFHPCFUPOV
LPNÍSLPXFHP"#,
Po stwardnieniu masę betonu komórkowego poddano autoklawizacji. Jej warunki były następujące:
– przedmuch (0,1–0,12 MPa) – 15 min,
– podniesienie ciśnienia do ok. 0,98–1,0 MPa – 120 min,
– utrzymanie ciśnienia 1,0 MPa (tmax = 190°C) – 480 min,
– spadek ciśnienia do atmosferycznego do ok. 0,1 MPa – 105 min.
ZASTOSOWANIE CEMENTÓW CEM II I CEM V DO PRODUKCJI AUTOKLAWIZOWANEGO...
173
Po procesie autoklawizacji nastąpiło rozformowanie i wstępna ocena mikrostruktury betonów komórkowych. Następnie przeprowadzono badania wybranych
własności fizykotechnicznych oraz mikrostruktury i składu fazowego ABK.
8BTOPvDJGJ[ZLPUFDIOJD[OF
Dla wytypowanych betonów przeprowadzono następujące badania:
– gęstość – według PN-EN 772-13:2001 „Metody badań elementów murowych
– Część 13: Określenie gęstości netto i gęstości brutto elementów murowych
w stanie suchym”;
– wytrzymałość na ściskanie – według PN-EN 772-1:2001 „Metody badań elementów murowych – Część 1: Określenie wytrzymałości na ściskanie”;
– skurcz – według PN-EN 680:2008 „Oznaczanie skurczu przy wysychaniu
autoklawizowanego betonu komórkowego”;
– mrozoodporność – według PN-89/B-06258 p 5.10 „Autoklawizowany beton
komórkowy”;
– współczynnik przewodzenia ciepła – według PN ISO 8301:1998 „Izolacja
cieplna – Określanie oporu cieplnego i właściwości z nim związanych w stanie
ustalonym – Aparat płytowy z czujnikami gęstości strumienia cieplnego”.
W tabeli 5 przedstawiono wartości średnie oznaczonych właściwości fizykotechnicznych ABK według I wariantu recepturowego, a w tabeli 6 wyniki dla II
wariantu recepturowego.
Tabela 5
Właściwości fizykotechniczne ABK (pierwszy wariant recepturowy) – wartości średnie [8]
Lp.
Rodzaj cementów
w/s
1
2
3
4
5
6
7
CEM I 32,5R – cementownia 1
CEM I 42,5R – cementownia 2
CEM II/A-V 42,5R – cementownia 1
CEM II/A-V 42,5R – cementownia 2
CEM II/B-V 32,5R – cementownia 1
CEM II/B-V 42,5N – cementownia 2
CEM II/A-LL 42,5R – cementownia 3
CEM II/B-M(V-LL) 32,5R
– cementownia 3
CEM V/A (S-V) 32,5R – cementownia 4
0,53
0,53
0,53
0,54
0,53
0,53
0,53
8
9
Parametry betonu komórkowego
skurcz
ρśr Rk+śr
λśr
całko30-6%
wity
kg/m3 MPa W/m·K
mm/m
560 3,8 0,1180
0,13
1,13
560 3,9 0,1190
0,13
0,73
530 3,8 0,1210
0,05
0,49
540 4,0 0,1180
0,06
0,51
535 3,9 0,1239
0,05
0,45
545 4,3 0,1273
0,06
0,46
600 4,8 0,1297
0,04
0,93
0,53
575
4,5
0,1346
*
0,40
0,53
550
4,4
0,1274
0,06
0,45
* Pomiędzy zawartością wilgoci 30% a 6% suchej masy nastąpiło wydłużenie.
MARTA SKORNIEWSKA, GENOWEFA ZAPOTOCZNA-SYTEK
174
Tabela 6
Właściwości fizykotechniczne ABK (drugi wariant recepturowy z uwzględnieniem C/S) [8]
Lp.
Rodzaj cementu
w/s
ρ
kg/m3
CEM I 32,5R
– cementownia 1
CEM I 42,5R
2
– cementownia 2
CEM II/A-V 42,5R
3
– cementownia 1
CEM II/A-V 42,5R
4
– cementownia 2
CEM II/B-V 32,5R
5
– cementownia 1
CEM II/B-V 42,5N
6
– cementownia 2
CEM II/A-LL 42,5R
7
– cementownia 3
8 CEM II/B-M(V-LL)
9 32,5R – cementownia 3
CEM V/A (S-V) 32,5R
10
– cementownia 4
1
Parametry betonu komórkowego
mrozoodporskurcz
ność
Rk┴
λ
zmiazmiacałkona 30-6%
na Rk┴
wity
masy
MPa W/m·K
%
%
mm/m
0,53
575
3,8
0,1264
–
–
0,09
1,15
0,53
595
4,7
0,1301
–
–
0,09
0,94
0,53
605
4,9
–
–
–
*
0,45
0,53
580
4,7
0,1276
-7
-1,2
0,01
0,44
0,53
580
4,3
0,1308
-4
-1,1
*
0,35
0,53
595
5,3
0,1363
-14
-1,0
0,01
0,38
0,53
610
5,4
0,1371
-18
-1,2
0,01
0,77
0,53
0,50
615
605
5,1
4,9
0,1392
0,1411
-7
-29
-2,0
-2,7
*
0,01
0,35
0,42
0,53
630
4,4
0,1481
-9
-0,5
0,01
0,43
* Pomiędzy zawartością wilgoci 30% a 6% suchej masy nastąpiło wydłużenie.
Badania właściwości betonu komórkowego wykazały ich zróżnicowanie w zależności od zastosowanych cementów, i tak:
– wytrzymałości na ściskanie Rk betonów komórkowych wykonanych z zastosowaniem cementów portlandzkich popiołowych CEM II/A-V oraz CEM II/B-V
były wyższe o ok. 8% (przy sprowadzeniu do tej samej gęstości) w stosunku do
ABK z zastosowaniem cementów portlandzkich (odniesienia) CEM I. Również
wytrzymałości ABK z zastosowaniem cementu wieloskładnikowego żużlowo-popiołowego CEM V/A(S-V) były wyższe od ABK na cementach portlandzkich
o ok. 14%;
– skurcz ABK (zarówno przy zmianie wilgotności od 30% do 6%, jak i skurcz
całkowity) na wszystkich badanych cementach z dodatkami mineralnymi był
korzystnie niższy aniżeli ABK na cementach portlandzkich CEM I. Dla ABK
wykonanego z zastosowaniem cementu portlandzkiego wapiennego CEMII/A-LL i cementu portlandzkiego wieloskładnikowego popiołowo-wapiennego CEM
ZASTOSOWANIE CEMENTÓW CEM II I CEM V DO PRODUKCJI AUTOKLAWIZOWANEGO...
175
II/B-M(V-LL) skurcz był nieciągły przy zmianie wilgotności w zakresie od 30%
do 6% masy – występowało chwilowe wydłużenie;
– mrozoodporność betonów komórkowych wykonanych z zastosowaniem cementów portlandzkich popiołowych CEM II/A-V oraz CEM II/B-V była na poziomie ABK z zastosowaniem cementów portlandzkich CEM I. Zadowalającą
mrozoodporność miał ABK na cemencie wieloskładnikowym żużlowo-popiołowym. Największym spadkiem wytrzymałości po badaniu mrozoodporności
charakteryzował się ABK z zastosowaniem cementu portlandzkiego wapiennego
CEM II/A-LL. Również ubytki masy tego betonu były w zasadzie największe;
– współczynnik przewodzenia ciepła λ oznaczony w stanie suchym, we wszystkich próbach ABK, spełniał wymagania normowe, które określają, że dla gęstości ABK od 500 do 600 kg/m3 nie powinien być on wyższy niż 0,15 W/m∙K.
Zarysowany jest trend, iż nieco wyższe (mniej korzystne) wartości λ mają ABK
z zastosowaniem dodatków mineralnych. Wśród tej grupy betonów najbardziej
korzystne wartości λ osiągają betony z zastosowaniem cementów portlandzkich
popiołowych CEM II/A-V i CEM II/B-V. Stwierdzenie to wymaga jednak przeprowadzenie badań na większej ilości próbek ABK.
0LSFvMFOJFTLBEVGB[PXFHPJNJLSPTUSVLUVSZ"#,
Dla wybranych, na podstawie poprzednich badań, próbek wykonano następujące
badania:
– badanie składu fazowego metodą XRD,
– kompleksowa analiza termiczna,
– badania mikroskopowe SEM.
Badanie składu fazowego metodą XRD
Wyniki badań XRD potwierdzają znaczenie reakcji pucolanowej w kształtowaniu składu fazowego ABK z cementów popiołowych i popiołowo-żużlowych.
Znaczna liczba wykonanych dyfraktogramów wskazuje na zależność udziału
fazy C-S-H i hydrogranatów w badanym materiale od rodzaju użytego cementu
i wzrost ich zawartości w ABK wytwarzanych z udziałem cementów popiołowych. Stwierdzono duże zróżnicowanie faz tobermorytopodobnych. Zwraca
uwagę dominacja amorficznych form C-S-H w produktach hydratacji cementu
CEM V o dużej zawartości popiołu i żużla. Ustalono również występowanie
w badanych próbkach faz krystalicznych, tj. kwarcu i kalcytu.
Na podstawie pomiaru intensywności piku odpowiadającego odległości międzypłaszczyznowej d = 11,3895 Å oszacowano zawartość faz tobermorytopochodnych w próbkach ABK. Na rycinie 4 przedstawiono histogram zależności zawartości tych faz od rodzaju użytego cementu.
CEM I
32,5R
cementownia 1
uwzgl. c/s
CEM I
42,5R
cementownia 2
uwzgl. c/s
CEM I
42,5R
cementownia 2
CEM I
32,5R
cementownia 1
CEM
II/B-M (V-LL)
32,5R
cementownia 3
CEM
II/A-V 42,5R
cementownia 2
uwzgl. c/s
CEM
II/B-M (V-LL)
32,5R
cementownia 3
uwzgl. c/s
CEM
II/A-V 42,5R
cementownia 2
CEM
II/A-V 42,5R
cementownia 1
CEM
V/A (S-V)
32,5R-LH
cementownia 4
CEM
II/A-V 42,5R
cementownia 1
uwzgl. c/s
CEM
II/B-V 42,5N
cementownia 2
uwzgl. c/s
CEM
II/B-V 32,5R
cementownia 1
uwzgl. c/s
CEM
V/A (S-V)
32,5R-LH
cementownia 4
uwzgl. c/s
CEM
II/B-V 32,5R
cementownia 1
Ryc. 4 Histogram zawartości fazy tobermorytopochodnej w próbkach ABK w zależności od użytego rodzaju cementu [8]
CEM
II/A-LL
42,5R
cementownia 3
CEM
II/B-V 42,5R
cementownia 2
176
MARTA SKORNIEWSKA, GENOWEFA ZAPOTOCZNA-SYTEK
ZASTOSOWANIE CEMENTÓW CEM II I CEM V DO PRODUKCJI AUTOKLAWIZOWANEGO...
177
Analiza termiczna ABK
Badania XRD zostały uzupełnione badaniami ABK wykonanymi metodami termicznej analizy różnicowej (DTA) oraz badaniami termograwimetrycznymi
(TG).
Na kolejnych rycinach 5–7 przedstawiono termogramy ABK, do wytworzenia
których użyte zostały następujące cementy: cement odniesienia CEM I 42,5R
– cementownia 2, cement portlandzki popiołowy CEM II/B-V 42,5N – cementownia 2 oraz cement wieloskładnikowy żużlowo-popiołowy CEM V/A (S-V)
32,5N – cementownia 4.
W trakcie badań zaobserwowano następujące efekty:
– endotermiczny efekt związany z rozkładem faz tobermorytopochodnych,
– endotermiczny efekt związany z rozkładem portlandytu,
– egzotermiczny efekt, występujący w cementach zawierających w swoim składzie popiół lotny, związany ze spalaniem węgla wprowadzanym z popiołem
z cementu,
– endotermiczny efekt związany z rozkładem kalcytu – produktu karbonatyzacji
Ca(OH)2 i wapienia obecnego w cemencie.
Ryc. 5. Termogram zaczynu po autoklawizacji z cementu CEM I 42,5R
– cementownia 2 [8]
Zaznaczone na termogramie (ryc. 5) ubytki masy 2,6% oraz 3,4% związane
są głównie z rozkładem faz tobermorytopodobnych. Odpowiada im zaznaczone na krzywej DTA maksimum w temperaturze ok. 240°C. Kolejny ubytek
masy próbki (4,2%) jest rezultatem dehydroksylacji portlandytu, którego zawartość w badanym materiale można oszacować na 17,3%. Procesowi temu należy
178
MARTA SKORNIEWSKA, GENOWEFA ZAPOTOCZNA-SYTEK
przyporządkować endotermiczny efekt DTA o maksimum w temperaturze ok.
500°C. Końcowy ubytek masy badanego materiału (3,2%) spowodowany jest
rozkładem węglanu wapnia, utworzonego w wyniku karbonatyzacji portlandytu
oraz stanowiącego jeden ze składników cementu. Zawartość CaCO3 w badanym
materiale wynosi 7,3%.
Rys. 6. Termogram zaczynu po autoklawizacji z cementu CEM II/B-V 42,5N
– cementownia 2 [8]
Zaznaczone na rycinie 6 ubytki masy 2,9% oraz 4,2% związane są głównie
z rozkładem faz tobermorytopodobnych. Kolejny ubytek masy próbki 1,0% jest
rezultatem dehydroksylacji portlandytu. Procesowi temu należy przyporządkować endotermiczny efekt DTA o maksimum w temperaturze ok. 500°C. Wraz
z efektem egzotermicznym z maksimum w temperaturze 530°C obserwowany
jest następny ubytek masy o 1,8%, który odpowiada spalaniu węgla wprowadzonego z popiołem do cementu. Końcowy ubytek masy badanego materiału
(3,2%) spowodowany jest rozkładem węglanu wapnia, utworzonego w wyniku
karbonatyzacji portlandytu oraz kalcytu z wapienia z cementu (dodatek drugorzędny w cemencie).
Zaznaczone na termogramie (ryc. 7) ubytki masy 3,8% oraz 4,8% związane są
głównie z rozkładem faz tobermorytopodobnych. Wyraźny efekt egzotermicznym z dwoma maksimami, obserwowany wraz z ubytkiem masy o 2,9%, odpowiada spalaniu węgla wprowadzonego z popiołem do cementu. Końcowy ubytek
masy badanego materiału (1,6%) spowodowany jest rozkładem węglanu wapnia,
utworzonego w wyniku karbonatyzacji portlandytu oraz kalcytu z wapienia z cementu. Zawartość CaCO3 w badanym materiale wynosi 3,6%.
ZASTOSOWANIE CEMENTÓW CEM II I CEM V DO PRODUKCJI AUTOKLAWIZOWANEGO...
179
Ryc. 7. Termogram zaczynu po autoklawizacji z cementu CEM V/A (S-V) 32,5N
– cementownia 4 [8]
Obserwacje mikroskopowe ABK
Badania mikroskopowe ABK wykonane zostały przy użyciu elektronowego mikroskopu skaningowego (SEM) wyposażonego w analizator rentgenowski mikroobszarów EDS. Obserwacje przeprowadzono na wysokiej jakości sprzęcie
w Zakładzie Nanotechnologii ICiMB Warszawa.
Analiza uzyskanych obrazów wskazuje na obecność dobrze wykształconych
form tobermorytopochodnych (formy włókniste i płytkowe), tworzące skupienia
o różnych zagęszczeniu. Zaobserwowano również obecność C-S-H typu plaster
pszczeli.
Ryc. 8. SEM/EDS. CEM II/B-V 42,5N – cementownia 2 – płytkowe formy tobermorytu
tworzące skupienia o różnym zagęszczeniu [8]
180
MARTA SKORNIEWSKA, GENOWEFA ZAPOTOCZNA-SYTEK
Ryc. 9. CEM V/A (S-V) 32,5R-LH – cementownia 4 z uwzględnieniem c/s
– widoczny produkt tobermoryt na bazie fazy C-S-H [8]
Badania składu fazowego ABK przyczyniły się do rozszerzenia wiedzy o złożoności procesów zachodzących w czasie produkcji ABK z zastosowaniem cementów z różnymi dodatkami mineralnymi. W zależności od rodzaju stosowanego cementu zmieniała się ilość faz tobermorytopochodnych. W składzie
fazowym zaobserwowano obecność włóknistych, płytkowych form tobermorytu. Taka budowa korzystnie wpływa na właściwości betonu komórkowego:
wytrzymałość na ściskanie, skurcz, mrozoodporność. Największa ilość faz tobermorytopochodnych występowała w cementach portlandzkich popiołowych
CEM II/B-V. Ponadto w ABK z zastosowaniem cementu wieloskładnikowego
żużlowo-popiołowego CEM V/A (S-V) stwierdzono dominację amorficznych
faz C-S-H typu „plastra pszczelego”. Powyższe wyniki badań składu fazowego
ABK przekładają się na uzyskane wysokie wytrzymałości ABK z zastosowaniem cementów portlandzkich popiołowych i cementów wieloskładnikowych
żużlowo-popiołowych.
1PETVNPXBOJF
Przeprowadzone badania cementów oraz betonów komórkowych wykonanych
w skali laboratoryjnej potwierdziły możliwość zastosowania cementów wieloskładnikowych do wytwarzania autoklawizowanego betonu komórkowego.
Zasadne jest przeprowadzenie prób w skali przemysłowej w wytwórni betonu
komórkowego z zastosowaniem cementów wybranych na podstawie omawianych badań.
ZASTOSOWANIE CEMENTÓW CEM II I CEM V DO PRODUKCJI AUTOKLAWIZOWANEGO...
181
Biorąc pod uwagę wyniki przeprowadzonych badań, najbardziej obiecującymi
wydają się cementy:
– CEM II/A-V 42,5R – cementownia 1,
– CEM II/B-V 42,5N – cementownia 2,
– CEM V/A (S-V) 32,5R – cementownia 4.
Wyniki pracy stanowią podstawę do realizacji projektu celowego z wybraną wytwórnią betonu komórkowego.
-JUFSBUVSB
[1] G a r b a c i k A., G i e r g i c z n y Z., Efekt synergii dodatków mineralnych w składzie
cementów wieloskładnikowych, [w:] Reologia w technologii betonu. XII Sympozjum Naukowo-Techniczne „Cement – właściwości i zastosowanie”, Górażdże Cement S.A., Wydział Budownictwa
Politechniki Gliwickiej, Gliwice 2010.
[2] K u r d o w s k i W., Chemia cementu i betonu, Stowarzyszenie Producentów Cementu,
Wydawnictwa Naukowe PWN, Kraków–Warszawa 2010.
[3] Materiały Cementowni Górażdże: Cement portlandzki wieloskładnikowy CEMII/B-M(S-V)
32,5R i wieloskładnikowy CEMV/A(S-V)32,5R-LH. Właściwości i zastosowanie.
[4] G i e r g i c z n y Z., G a r b a c i k A., P u ż a k T., S o k o ł o w s k i M., Cementy
portlandzkie wieloskładnikowe CEMII/B-M(V-LL)32,5R i CEMII/B-M(S-V) 32,5R – właściwości
i zastosowanie, [w:] Konferencja Dni Betonu – Tradycja i Nowoczesność 11–13 października 2010
Wisła, Stowarzyszenie Producentów Cementu, Kraków 2010.
[5] PN-EN 197-1 „Cement. Część 1: Skład wymagania i kryteria zgodności dotyczące cementów
powszechnego użytku”.
[6] Z a p o t o c z n a - S y t e k G., 60 lat betonu komórkowego w Polsce, [w:] Konferencja Dni
Betonu – Tradycja i Nowoczesność, 11–13 października 2010 Wisła, Stowarzyszenie Producentów
Cementu, Kraków 2010.
[7] J a t y m o w i c z H., S i e j k o J., Z a p o t o c z n a - S y t e k G., Technologia autoklawizowanego betonu komórkowego, Arkady, Warszawa 1980.
[8] Z a p o t o c z n a - S y t e k G., S k o r n i e w s k a M., Ł a s k a w i e c K., M i c h a l i k A.,
G a r b a c i k A., Zastosowanie cementów wieloskładnikowych do produkcji autoklawizowanego betonu komórkowego (ABK). Sprawozdanie. Instytut Ceramiki i Materiałów Budowlanych,
Oddział Betonów CEBET, Warszawa 2010.
[9] Materiały budowlane. Podstawy technologii i metody badań, red. J. Małolepszy, wyd. 2,
Uczelniane Wydawnictwa Naukowo-Dydaktyczne AGH, Kraków 2008.
[10] G a r b a c i k A., C h ł ą d z y ń s k i S., Cementy wieloskładnikowe w budownictwie,
Stowarzyszenie Producentów Cementu, Kraków 2008.
182
MARTA SKORNIEWSKA, GENOWEFA ZAPOTOCZNA-SYTEK
MARTA SKORNIEWSKA
GENOWEFA ZAPOTOCZNA-SYTEK
EXPLOITATION CEMENTS CEM II AND CEM V
IN PRODUCING AUTOCLAVED AERATED CONCRETE (AAC)
In the article was presented a possibility of applying multicomponent cements for the production of autoclaved aerated concrete (AAC). In the AAC
this work have innovative character. Besides solutions practical and technological in article we can find research of the phase composition and microstructures of AAC, produced at applying different multicomponent cements,
containing lot of mineral supplements. Results of the work constitute the
essential contribution of the knowledge in the ABK technology. Realization
of this work is creating reasons to implementation use multicomponent cements in the AAC technology, in place present technical solution with using
portland cement CEM I.